Особенности радиоизмерения в диапазоне СВЧ

 

  Регулировщик радиоаппаратуры (Городилин В. М.)

 

Особенности радиоизмерения в диапазоне СВЧ 
 
Область сверхвысоких частот (СВЧ) охватывает диапазон частот от 3000 до 30 000 МГц. На более низких частотах электрические цепи с сосредоточенными постоянными образуются соединением катушек индуктивности, конденсаторов, резисторов, микросхем, транзисторов или ламп. Размеры этих элементов малы по сравнению с длиной рабочей волны.

В диапазоне СВЧ вместо цепей с сосредоточенными постоянными в качестве колебательных контуров применяют отрезки концентрических линий и объемные резонаторы. Для усиления колебаний служат клистронные и магнетронные генераторы, лампы бегущей и обратной волн, параметрические и квантовые усилители. Преобразователями частоты являются кристаллические балансные смесители и ферритовые умножители частоты. В качестве антенн применяют остронаправленные излучатели: фазированные решетки, параболические рефлекторы, рупорные и специальные многовибраторные антенны.

Для передачи СВЧ-энергии применяют коаксиальные кабели, волноводы и полосковые линии. Типы линий передачи энергии, рабочий диапазон и краткая характеристика приведены в табл. 14. Для различных узлов и блоков СВЧ-аппаратуры используют специальные приборы: измерительные линии, измерители коэффициента стоячей волны и комплексных коэффициентов передачи, измерители добротности и параметров линий передачи. 
 
Таблица 14. Линии передачи энергии и их характеристики

 

 

 

 

Измерительной линией называется устройство для определения распределения электрического поля вдоль передающей линии. Их используют для измерения параметров СВЧ-тракта: коэффициента стоячей волны, полного сопротивления, длины волны, добротности и др.

В зависимости от диапазона частот измерительные линии бывают коаксиальными и волноводными и состоят из основной линии 1 и индикаторной голов-ки 2 (рис. 38). 

 

Схема включения волноводной измерительной линии для определения КСВ-тракта передачи СВЧ-энергии показана на рис. 39.

Основная линия представляет собой отрезок волновода с продольной щелью, длиной в несколько полуволн, вдоль которой передвигается индикаторная головка. Этот отрезок линии включается между индикатором и нагрузкой. Индикаторная головка состоит из резонатора, связанного с основной линией зондом. Электрическое поле основной линии с помощью зонда возбуждает в резонаторе электромагнитные колебания. Ток в цепи детектора будет пропорционален электрическому полю в точке нахождения зонда. Положение зонда по шкале расстояний измерительной линии или соответствующее значение выпрямленного тока являются данными, необходимыми и достаточными для построения графика распределения напряженности поля в линии передачи.

Коэффициент стоячей волны определяется как отношение наибольшей амплитуды колебания напряженности электрического поля к наименьшей амплитуде и характеризует степень согласования СВЧ-тракта.

Выпускаемые промышленностью измерительные линии охватывают диапазон частот 0,5—37,5 ГГц и позволяют измерять коэффициент стоячей волны от 1,05 до 10 с погрешностью 4—10%. Коаксиальные измерительные линии Pl-3, Pl-17, Р1-18 и Р1-22 имеют волновое сопротивление 50 Ом и охватывают диапазон частот 0,5—12,4 ГГц, а волноводные Pl-4, Р1-12А, Р1-13А, Р1-33— диапазон частот 4,8—78,33 ГГц.

Измерение КСВ, полных сопротивлений, добротности и других параметров линий передачи можно осуществлять также с помощью специальных автоматических измерителей, состоящих из свип-генератора, рефлектометра и нндикатора СВЧ. Прибор позволяет визуально наблюдать кривую изменения КСВ в заданном диапазоне частот.

Наряду со специальной измерительной аппаратурой и приборами в СВЧ измерительных схемах широкое применение находят различные преобразователи: аттенюаторы, направленные ответвители, фазовращатели, нагрузки, согласующие устройства. 

 

 

 

 

 

Рис. 40. Волноводные согласующие устройства (а) и их эквивалентные схемы (б) 

 

Аттенюаторы (ослабители) предназначены для ослабления и регулировки уровня мощности в СВЧ-трактах. В зависимости от конструкции аттенюаторы бывают волноводные, коаксиальные и полосковые. Наибольшее распространение получили поглощающие аттенюаторы и ферритовые вентили.

На рис. 40, а показаны различные волноводные согласующие устройства, а на рис. 40, б — их эквивалентные схемы. Изменением положения реактивного штыря 1 (зонда) в волноводе, а также формы и размера диафрагмы 2 можно получить емкостную или индуктивную связь или соответствующий контур.

Измерение мощности в СВЧ-диапазоне не производят по току и напряжению из-за того, что этот метод не является точным. Наиболее распространенными являются косвенные методы измерения мощности с помощью приборов, основанных на измерении тепловой энергии, рассеиваемой сопротивлением нагрузки.

 

 

Рис. 41. Функциональные схемы ваттметров: 
а — поглощающая, б — для измерения проходящей мощности 

 

По назначению такие приборы можно разделить на ваттметры поглощающего типа и для измерения проходящей мощности. Ваттметры поглощающего типа (рис. 41, а) нашли наибольшее применение в тех случаях, когда измеряется мощность источников колебаний — генераторов. Ваттметр, являясь нагрузкой генератора Г, измеряет поглощаемую им мощность. Энергия, поступающая от генератора, выделяется в нагрузочном резисторе 1; ее мощность измеряется специальным устройством, состоящим из преобразователя 2 одного вида энергии в другой и индикатора 3, например калометрический метод.

Калометрический метод основан на преобразовании СВЧ-энергии, поглощаемой согласованной нагрузкой, в тепловую. Калометрический ваттметр состоит из поглощаемой нагрузки (обычно проточной воды) и измерителей температуры. Измеряемую мощностьопределяют по разности температуры на входе и выходе нагрузки (по показаниям специальных датчиков). Этот метод применяют для измерения большой и средней мощностей во всем диапазоне СВЧ. 

 

  

 

Ваттметры для измерения проходящей мощности (например, прибор М2-32) применяют в линиях передачи, работающих на нагрузку. В этом случае ваттметр поглощает лишь небольшую часть мощности, проходящей по линии передачи и 
выделяемой в нагрузке. На рис. 41,6 приведена функциональная схема ваттметра этого типа. Детектор 2 преобразует энергию СВЧ, передаваемую по коаксиальной линии 4 в нагрузку 1, в энергию НЧ, измеряемую известными методами индикатором 3.

На практике при наладке и эксплуатации радиотехнических средств в СВЧ приходится измерять мощность в очень широком интервале уровней (от 10-18 до 105 Вт и более). Промышленность выпускает большое количество приборов для измерения мощности, в том числе ваттметры поглощающего типа: калориметрические МЗ-45, МЗ-48, МЗ-51 (измеряемая мощность, 0,001—6 кВт в диапазоне частот 1—37 500 МГц), M3-13/1 (измеряемая мощность 1—2000 Вт в диапазоне частот до 37,5 ГГц), термисторные и термоэлектрические (измеряемая мощность 500 мВт в диапазоне частот 0,03—78,3 ГГц) и др.

Как отмечалось выше, наиболее часто пользуются косвенным методом для измерения падения напряжения, создаваемого током СВЧ, на резисторе известного сопротивления. На этом принципе построен измеритель мощности МЗ-З (рис. 42). Прибор состоит из поглощающего резистора 1,представляющего собой чисто активную нагрузку с сопротивлением 75 Ом, и электронного вольтметра 2, подключенного к части резистора. Шкала вольтметра проградуирована в единицах измерения мощности — ваттах. Пределы измерения при непрерывном сигнале от 0,25 до 15 Вт, при импульсной работе от 5 до 5000 Вт в импульсе. Диапазон частот 30—1000 МГц, погрешность измерения не более 20%,.